La découverte que la majorité du génome humain est transcrite en ARN qui ne code pas pour les protéines a fondamentalement changé notre compréhension de la régulation des gènes. Les ARN non codants (ARNnc) constituent une classe diversifiée et abondante de molécules régulatrices qui contrôlent l’expression des gènes à plusieurs niveaux, du remodelage et de la transcription de la chromatine à la stabilité et à la traduction de l’ARNm. Leur dérégulation contribue à un large éventail de maladies, notamment le cancer, les troubles neurologiques et les maladies cardiovasculaires.

MicroARN

Les microARN (miARN) sont de petits ARNnc d’environ 22 nucléotides qui régulent l’expression des gènes de manière post-transcriptionnelle en se liant à des séquences complémentaires dans les 3 régions non traduites (UTR) des ARN messagers cibles. Les gènes des miARN sont transcrits par l’ARN polymérase II sous forme de miARN primaires (pri-miARN) contenant des structures en épingle à cheveux, qui sont clivés dans le noyau par le complexe microprocesseur (Drosha et DGCR8) pour libérer des miARN précurseurs (pré-miARN) d’environ 70 nucléotides. Les pré-miARN sont exportés vers le cytoplasme par Exportin-5 et ensuite traités par Dicer, une endonucléase RNase III, pour générer des duplex de miARN matures. Un brin du duplex est chargé dans le complexe de silençage induit par l’ARN (RISC), où il guide les protéines Argonaute (AGO) pour cibler les ARNm via une complémentarité de séquence partielle, principalement dans la région graine (nucléotides 2 à 8). La liaison des miARN réprime généralement la traduction et favorise la désadénylation et la dégradation de l’ARNm. Un seul miARN peut réguler des centaines d’ARNm cibles, et plus de 2 600 miARN humains matures ont été identifiés, régulant collectivement environ 60 % des gènes codant pour les protéines. Les miARN sont impliqués dans pratiquement tous les processus biologiques, notamment la prolifération cellulaire, la différenciation, l’apoptose et les réponses immunitaires, et le profilage de l’expression des miARN a une valeur diagnostique et pronostique dans le cancer.

ARN longs non codants

Les ARN longs non codants (ARNlnc) sont définis comme des transcrits de plus de 200 nucléotides dépourvus de potentiel de codage des protéines, bien que certains contiennent de petits cadres de lecture ouverts ou produisent des micropeptides fonctionnels. Le génome humain contient environ 20 000 gènes d’ARNnc, dont beaucoup sont exprimés de manière spécifique à un type de cellule et régulés au cours du développement. Les LncRNA régulent l’expression des gènes par divers mécanismes. Dans le noyau, Xist (transcription spécifique X-inactive) intervient dans l’inactivation du chromosome X chez les femmes en recouvrant le futur chromosome X inactif et en recrutant des complexes modifiant la chromatine, notamment le complexe répressif Polycomb 2 (PRC2), qui dépose des marques répressives H3K27me3. HOTAIR, un lncRNA du locus HOXC, recrute PRC2 sur des sites génomiques spécifiques pour faire taire les gènes HOXD en trans. Les LncRNA peuvent également fonctionner comme des échafaudages moléculaires, réunissant plusieurs protéines pour former des complexes ribonucléoprotéiques ; comme leurres, séquestrant des facteurs de transcription ou des miARN ; et en tant qu’ARN associés à un amplificateur (ARNe) qui favorisent la boucle amplificateur-promoteur et l’activation transcriptionnelle. MALAT1 (transcription 1 de l’adénocarcinome pulmonaire associé aux métastases) est un ARNlnc nucléaire hautement exprimé qui régule l’épissage alternatif en modulant la phosphorylation du facteur d’épissage riche en sérine/arginine et est associé aux métastases dans plusieurs types de cancer.

ARN circulaires

Les ARN circulaires (circRNA) sont une classe de molécules d’ARN fermées de manière covalente générées par rétro-épissage, où un site d’épissage à 5 points en aval se joint à un site d’épissage à 3 points en amont, produisant une transcription circulaire sans extrémités libres. Les CircRNA sont résistants à la dégradation exonucléolytique et sont très stables par rapport aux ARN linéaires. La plupart des circARN sont exprimés à de faibles niveaux, mais certains s’accumulent en grande abondance, en particulier dans le cerveau, et leur expression est souvent conservée d’une espèce à l’autre. La fonction la mieux caractérisée des circARN est celle d’éponges de miARN : en contenant plusieurs sites de liaison pour des miARN spécifiques, les circARN séquestrent les miARN et les empêchent de réprimer leurs ARNm cibles. CDR1as (antisens protéine 1 liée à la dégénérescence cérébelleuse), également appelé ciRS-7, contient plus de 60 sites de liaison conservés pour miR-7 et est essentiel au développement normal du cerveau chez le poisson zèbre et la souris. Les CircRNA peuvent également réguler la transcription en interagissant avec l’ARN polymérase II, moduler l’épissage en rivalisant avec l’épissage linéaire, et certains peuvent être traduits pour produire des protéines ou des peptides de manière indépendante de la coiffe. La dérégulation des CircRNA est impliquée dans le cancer, les troubles neurologiques, les maladies cardiovasculaires et le vieillissement.

ARN interagissant avec les Piwis

Les ARN interagissant avec Piwi (piARN) sont de petits ARNnc de 24 à 31 nucléotides qui sont principalement exprimés dans les cellules germinales et fonctionnent dans l’inactivation des transposons et l’intégrité du génome. Les piARN s’associent aux protéines PIWI, une sous-classe de protéines Argonaute, et les guident vers des transposons complémentaires via l’appariement de bases, conduisant à l’inactivation de la transcription par la méthylation de l’ADN et les modifications des histones, ou le clivage post-transcriptionnel. La voie piARN est essentielle au maintien de l’intégrité du génome germinal en supprimant l’activité des transposons, et sa perturbation conduit à la stérilité et aux tumeurs des cellules germinales dans les modèles animaux. Les piARN sont générés à partir de longs précurseurs d’ARN simple brin transcrits à partir de clusters de piARN, traités par l’endonucléase Zucchini et chargés dans des protéines PIWI. Chez la souris, trois protéines PIWI (MIWI, MILI, MIWI2) fonctionnent à différents stades de la spermatogenèse. De nouvelles preuves suggèrent que les piARN et les protéines PIWI pourraient également fonctionner dans les tissus somatiques, y compris les cellules cancéreuses, où leur expression est en corrélation avec un mauvais pronostic pour plusieurs types de cancer.

Petits ARN interférents

Les petits ARN interférents (siARN) sont des ARN double brin de 20 à 25 nucléotides qui médient l’interférence ARN (ARNi), un mécanisme de silençage génétique conservé déclenché par un ARN double brin exogène, tel que l’ARN viral ou des constructions introduites expérimentalement. Les siARN synthétiques sont largement utilisés comme outils de recherche pour inhiber l’expression des gènes et sont développés à titre thérapeutique. Dans la voie ARNi, les longs ARN double brin sont clivés par Dicer en siARN, qui sont chargés dans RISC. Contrairement aux miARN, les siARN ont généralement une complémentarité parfaite avec leur cible, conduisant au clivage endonucléolytique médié par Argonaute de l’ARNm cible. Les siARN endogènes, produits à partir de transposons, d’éléments répétitifs ou de transcription convergente, régulent l’inactivation des transposons dans certains organismes et peuvent jouer un rôle de défense antivirale chez les plantes et les invertébrés.

Les ARNc dans les maladies et les thérapeutiques

La dérégulation des ARNnc est associée à de nombreuses maladies humaines. Dans le cancer, les miARN peuvent fonctionner comme des oncogènes (oncomiR, tels que miR-21, miR-155) ou des suppresseurs de tumeurs (comme la famille let-7, miR-34), et les signatures d’expression des miARN sont utilisées pour la classification et le pronostic des tumeurs. Les LncRNA, dont PCA3, sont utilisés comme biomarqueurs diagnostiques, le PCA3 étant mesuré dans l’urine pour la détection du cancer de la prostate. Des stratégies thérapeutiques ciblant les ARNnc sont en cours de développement actif. Les oligonucléotides antisens (ASO) ciblant les ARNnc ou les pri-miARN peuvent inhiber leur fonction, tandis que les imitations de miARN rétablissent l’expression des miARN suppresseurs de tumeurs. Le premier traitement thérapeutique à base d’ARNi, le patisiran (un siARN ciblant la transthyrétine), a été approuvé en 2018 pour l’amylose héréditaire médiée par la transthyrétine. Plusieurs thérapies ciblant les miARN, dont le miravirsen (un anti-miR-122 pour l’hépatite C), ont progressé vers des essais cliniques. Des approches basées sur CRISPR sont à l’étude pour modifier les gènes ncRNA ou moduler leur expression, et les circARN modifiés se révèlent prometteurs en tant que vecteurs d’expression soutenue pour les protéines thérapeutiques.